[发明专利]一种氧化锌薄膜的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有二维多孔结构的氧化锌薄膜的制备方法，及基于该种薄膜的同时具有场发射和紫外光探测功能的器件，属于半导体纳米结构的制备及电子器件的制造技术领域。

背景技术

氧化锌是一种新型的II～VI族直接宽带隙化合物半导体材料，具有优异的光学和电学特性，室温下的带隙为3.37eV，激子束缚能为60meV，预计可以在半导体微电子领域有广泛的用途。在电场作用下，因为量子隧穿效应，电子可以从半导体、金属等阴极表面逸出，形成场致电流发射(场发射)。与热阴极发射相比，场发射具有功耗小、启动快等特点。如在2009年7月22日公开的中国发明专利申请公开说明书CN 101488431A中披露了“一种复合式场致发射阴极结构及其制备方法“。它意欲提供一种碳纳米管和氧化锌的复合场发射结构。该种方法制备繁琐，需要丝网印刷等复杂工艺。另外，由于氧化锌可以和氧化镁、氧化铬等形成合金，可以通过调节Zn/Mg/Cd的相对比值，可以实现氧化锌的带隙可调，覆盖较宽的可见-紫外光范围。这些特点使氧化锌在可见-紫外光波段的探测方面有许多潜在的应用。如在2003年3月5日公开的中国发明专利申请公开说明书CN 1400674A中披露了一种“氧化锌紫外光电探测器原型器件的制备方法”。它意欲提供一种基于氧化锌薄膜的紫外光电探测器件的制备方法。由于该原理性探测器件是基于普通氧化锌平面薄膜的，其灵敏度有限，且不同时具备场发射性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现存技术的不足，提供一种具有二维多孔结构的氧化锌薄膜的制备方法，更为重要的是基于这种薄膜的原理型器件同时具备场发射和紫外光电探测功能。

本发明方法技术解决方案是：通过生长具有二维多孔纳米璧结构的氧化锌薄膜进而实现同时具有场发射和紫外光探测功能的器件。

本发明中所述的氧化锌薄膜材料，其结构为垂直于衬底的二维纳米壁连接而成的多孔结构，具有二维垂直结构，其比表面积大于同面积薄膜材料。本发明中所述的氧化锌薄膜材料，是采用高压脉冲激光烧蚀生长的，其具体的工艺条件为：石英管形状为十字形型，生长腔内压力是20mbar-40mbar，生长温度为850-1050℃，载气为氩气，流量为25SCCM-40SCCM，激光的工作条件为：248nm，频率为10-20Hz，能量密度为1-5J/cm²，衬底为抛光的c趋向蓝宝石衬底。

其中此处激光器一般以5的整数倍的频率工作。

将具有二维多孔结构的氧化锌薄膜材料进行如下的处理，得到基于这种薄膜的原理型器件：其步骤为：

(1)以金属薄片为掩膜，通过金属热蒸发沉积法在上述样品的两边沉积

金电极；金属热沉积的工艺条件为：沉积温度为1000-1050℃，沉

积腔内压强为10^-4-10^-6pa，金膜生长速率为50-100nm/min.

(2)在氩气气氛保护下退火500℃；时间为1小时，去除电极表面的污

染，改善金/氧化锌之间的欧姆接触。

对上述原理性器件进行相关测试，得出该器件同时具备场发射功能和紫外光探测功能。

组装器件的场发射性能评价

场发射性能通过如下步骤进行评价：

(a)把具有二维多孔结构的氧化锌薄膜材料进行处理得到的基于这种薄膜的原理型器件，固定到一个不锈钢圆台上，并和金电极连接，作为场发射测量的阴极；

(b)以一个直径为2毫米的不锈钢探针为阳极；

(c)阴极与阳极之间的距离为2微米；

(d)阴极与阳极之间的电压从750V，以100V为单位，逐步升高到3000V；

(e)整个测试腔的压力为10^-6Pa，发射电流用一个纳安表测量。

附图3是用上述方法测得上述氧化锌二维多孔薄膜器件的场发射性质。其开启电压是2.3V/μm，优于气相法制备的氧化锌纳米线(Li，Y.B.；etal.Appl.Phys.Lett.2004，84，3603).

组装器件的紫外光探测性能评价

紫外光探测性能通过如下步骤进行评价：

(a)在进行光探测性能测量之前，所组装器件先在黑暗处储藏24小时；整个测量也是在暗室中进行的。

(b)以汞灯和单色仪联合起来提供365nm的紫外光源，功率是3微瓦。通过一个会聚透镜和光过滤镜片组合，紫外光照到样品上的面积是3cm²。